2.1 不可控整流電路

2.1.1 單相不可控整流電路

AC—DC電力變換可以利用電力二極管的單相導電性實現。由于二極管整流電路輸出的直流電壓僅由交流輸入電壓的大小決定，故稱為不可控整流電路。

單相不可控整流電路的交流側接單相電源。圖2 1（a）為最簡單的單相半波不可控整流電路，帶電阻性負載。電阻負載的特點是電壓與電流成正比，波形相同，相位相同。在生產實際中，有些負載基本上屬于純電阻或電阻性負載，如電阻加熱爐、電解槽和電鍍裝置等。

該電路采用一只二極管VD₁作為整流器件。電源變壓器原邊電壓瞬時值為u₁。副邊電壓瞬時值為u₂，其對應的工作波形如圖2 1（b）所示。當u₂處于正半周時，二極管VD₁導通，負載電壓u_d=u₂；當u₂處于負半周時，VD₁承受反壓而截止，u_d=0。負載電流i_d波形與負載電壓u_d波形相似，相位相同，但幅值不同。表21為單相半波不可控整流電路帶電阻性負載時，各區間工作情況。

圖21 單相半波不可控整流電路帶電阻性負載

（a）整流電路；（b）工作波形

表2 1

單相半波不可控整流電路帶電阻性負載時各區間工作情況

圖2 2（a）為單相半波不可控整流電路，帶阻感性負載。其對應的工作波形如圖2 2（b）所示，當u₂處于正半周時，二極管VD₁導通，負載電壓u_d=u₂，由于電感L有阻止電流變化的作用，在電感L兩端產生極性為上正下負的感應電勢e_L；在u₂從正峰值點逐漸下降并過零變負時，電感中的電流將隨之減小。由于電感L有阻止電流變化的作用，在電感L兩端產生相反方向的感應電勢e_L，極性為下正上負。此電壓與電源電壓u₂疊加，使得二極管VD₁在u₂處于負半周后，仍然承受一段時間的正向電壓而繼續導通，從而將電源電壓通過二極管VD，加到負載兩端，出此負載兩端電壓u_d會出現負值。負載電壓u_d和負載電流i_d的波形如圖2 2（b）所示。表2 2為單相半波不可控整流電路帶阻感性負載時，各區間工作情況。圖22 不帶續流二極管的單相半波不可控整流電路帶阻感性負載的電路和波形

（a）整流電路；（b）工作波形

表22單相半波不可控整流電路帶阻感性負載（無續流二極管）時各區間工作情況

在u₂過零變負后，由于電感L的續流作用，使負載兩端電壓u_d出現負值。為避免這種現象發生，應在負載兩端反并聯一只二極管VD₂，為負載電流提供續流通路，并切斷電源與負載之間的電流通路。如圖2 3（a）所示。在電源電壓u₂為正時，續流二極管VD₂因承受反壓而處于關斷狀態；而電源電壓u₂過零變負時，在電感L兩端產生極性為下正上負的感應電勢e_L，使VD₂因承受正壓而導通，將負載短路，輸出電壓u_d近似等于零。因此輸出電壓u_d的波形與帶電阻性負載時的負載電壓u_d波形相同。若負載中的電感量極大，則負載電流i_d連續，且近似為一條水平直線。負載電流i_d由i_VD1和i_VD2兩部分組成，如圖2 3（b）所示。表2 3為單相半波不可控整流電路帶大電感負載，且并聯續流二極管時，各區間工作情況。

圖23 帶續流二極管的單相半波不可控整流電路帶大電感負載的電路和波形

（a）整流電路；（b）工作波形

表23單相半波不可控整流電路帶阻感性負載（有續流二極管）時各區間工作情況

從圖21中的負載電壓u_d波形可以看出，半波整流時，負載電壓僅為交流電源的正半周電壓，造成交流電源利用率偏低，輸出電壓脈動大，因此實際應用較少。若能將交流電源的負半周電壓也得到利用，即獲得如圖2 4（a）中的負載電壓波形，則負載電壓平均值u_d可提高一倍，電源利用率大大提高。為此可采用圖2 4（b）中的單相全波整流電路，其在交流電源的正、負半周工作情況如圖2 4（c）和（d）所示，單相全波整流電路帶電阻性負載時各區間工作情況見表3-4。

圖24 單相全波整流電路帶電阻性負載的電路和波形

（a）單相全波整流電路負載電壓波形；（b）單相全波整流電路；

（c）交流輸入正半波整流電路工作圖；（d）交流輸入負半波整流電路工作圖

表2 4

單相全波整流電路帶電阻性負載時各區間工作情況

從圖2 4（b）可以看出，單相全波整流電路必須要有一個帶中心抽頭的變壓器，且二極管承受的最高電壓為2㊣2U₂，對二極管的耐壓要求較高。為了獲得全波整流電路的負載電壓波形，并克服全波整流電路的缺點，可采用單相橋式整流電路，如圖2 5（a）所示。在單相輸入的AC—DC整流電路中，單相橋式整流電路應用極為廣泛。

圖25 單相橋式整流電路

（a）單相橋式整流電路；（b）交流輸入正半波整流電路工作圖；（c）交流輸入負半波整流電路工作圖

表25為單相橋式整流電路帶電阻性負載時，各區工作情況。

表2 5

單相橋式整流電路帶電阻性負載時各區間工作情況

通過對單相半波整流電路、單相全波整流電路和單相橋式整流電路的分析可知，在單相半波整流電路中，交流電源中的電流是單方向的，其中含有較大的直流分量，電源變壓器存在直流磁化現象。為了使變壓器鐵芯不飽和，需相應增大鐵芯的截面積，從而導致設備容量增加，這是單相半波整流電路應用較少的主要原因之一。而在單相全波整流電路和單相橋式整流電路中，電源電流是雙向流動的，既使得交流電源得到了充分的利用，也不存在電源變壓器直流磁化現象，能有效克服單相半波整流電路的缺點。

2.1.2 三相不可控整流電路

單相交流整流電路所能提供的輸出功率通常較小，一般在2.5kW以下，若要求電源提供更大的直流輸出功率，就需要利用三相交流電源和三相整流電路，其中最常見、應用最普遍的是三相橋式整流電路。

由于三相橋式整流電路多用于中、大功率場合，因此很少采用單個二極管進行組合，而多采用三相整流模塊，如圖2 6（a）所示。三相橋式整流電路內部結構如圖2 6（b）所示，其中陰極連接在一起的3只二極管（VD₁，VD₃，VD₅）組成共陰極組，陽極連接

在一起的3只二極管（VD₄，VD₆，VD₂）組成共陽極組。

三相橋式整流電路工作時，共陰極組的3只二極管中，陽極交流電壓最高的那只二極管優先導通，使另外兩只二極管承受反壓而處于關斷狀態；同理，共陽極組的3只二極管中，陰極交流電壓最低的那只二極管優先導通，使另外兩只二極管承受反壓而處于關斷狀態。即任意時刻，共陽極組和共陰極組中各有一只二極管處于導通狀態，其工作波形如圖

2 6（c）所示。

圖26 三相橋式不可控整流電路和負載電壓波形

（a）整流模塊；（b）整流電路；（c）電壓波形

在負載電壓u_d波形Ⅰ段中，a相電壓最高，而b相電壓負值最大，因此VD₁和VD₆導

通，u_d=u_a-u_b=u_ab；在ωt₁時刻，由于u_G比u_b更負，因此共陽極組VD₂導通，而VD₆承受反壓關斷，u_d=u_d-u_d=u_ac；在ωt₂時刻，由于u_b＞u_a，因此共陰極組VD₃導通，而

VD₁承受反壓關斷，u_d=u_b-u_c=u_bc以此類推。由此不難看出，輸出負載電壓u_d為線電壓中最大的一個，其波形為線電壓u₂₁的包絡線。輸出負載電壓u_d一個周期脈動6次，每次脈動的波形相同，故三相橋式整流電路也被稱為6脈波整流電路。這種電路的輸出負載電壓波形比單相橋式整流電路的輸出負載電壓波形更平滑，因而更容易濾波。

將負載電壓u_d波形中的一個周期分成6段，每段各60°，在每段中導通的極管及輸出整流電壓的情況如表26所示。

表2 6

三相橋式整流電路各區間工作情況

由表2 6可知，6只二極管的導通順序為 VD₁—VD₂—VD₃—VD₄—VD₅—VD₆—

VD₁ ，相位依次相差60°，這也正是VD₁～VD₆命名的原因。共陰極組VD₁ ，VD₃ ，VD₅依

次導通120°，共陽極組VD₄ ，VD₆ ，VD₂也依次導通120°。而同一相上、下兩個橋臂的兩

只二極管VD₁與VD₄ ，VD₃與VD₆ ，VD₅與VD₂ ，導通相位則互差180°。對于變壓器二次

繞組，每相繞組的電流均為雙向電流，且正、反向電流的有效值和平均值相等。

在單相全波電路中，每只二極管只承受交流電源相電壓的峰值，而在三相橋式整流電路中，每只二極管都要承受交流電源線電壓的峰值，因此三相整流電路中的二極管需要更高的耐壓值。